Konfigurasi mana yang lebih baik untuk menarik basis transistor NPN?

Saya sedang mendiskusikan tentang pull down resistor dengan seorang rekan saya. Berikut adalah dua konfigurasi untuk transistor sebagai saklar.

Sinyal input dapat berasal dari mikrokontroler atau output digital lain untuk menggerakkan beban, atau dari sinyal analog untuk memberikan output buffered dari kolektor transistor ke mikrokontroler.

Di sebelah kiri, dengan Q1, adalah konfigurasi kolega saya. Dia menyatakan bahwa:

• Sebuah resistor 10K diperlukan langsung di pangkalan untuk mencegah Q1 dari ON ON tanpa sengaja. Jika konfigurasi di sebelah kanan, dengan Q1, digunakan, maka resistansi akan terlalu lemah untuk menarik basis ke bawah.
• R2 juga melindungi $V_{BE}$ dari tegangan berlebih dan memberikan stabilitas jika terjadi perubahan suhu.
• R1 melindungi dari arus berlebih ke basis Q1, dan akan menjadi nilai resistor yang lebih besar jika tegangan dari "uC-out"tinggi (misalnya + 24V). Akan ada pembagi tegangan yang terbentuk, tetapi itu tidak masalah karena tegangan input sudah cukup tinggi.

Di sebelah kanan, dengan Q2, adalah konfigurasi saya. Saya pikir itu:

• Sejak dasar sebuah NPN transistor bukanlah titik impedansi tinggi seperti MOSFET atau JFET, dan $H_{FE}$ transistor kurang dari 500, dan setidaknya 0.6V diperlukan untuk mengubah transistor ON, pull-down resistor tidak kritis, dan dalam banyak kasus bahkan tidak diperlukan.
• Jika resistor pull-down akan diletakkan di papan, maka nilai 10K yang tepat adalah mitos. Itu tergantung pada anggaran daya Anda. 12K akan baik-baik saja dan 1K.
• Jika konfigurasi di sebelah kiri, dengan Q1, digunakan, maka pembagi tegangan dibuat dan dapat membuat masalah jika sinyal input, yang digunakan untuk mengaktifkan transistor ON, rendah.

Jadi, untuk mengklarifikasi hal-hal, pertanyaan saya adalah:

1. Apakah resistor pull-down 10K adalah aturan umum yang harus saya terapkan setiap saat? Apa hal yang perlu dipertimbangkan ketika menentukan nilai resistor pull-down?
2. Apakah resistor pull-down benar-benar dibutuhkan di setiap aplikasi? Dalam kasus apa resistor pull-down diperlukan?
3. Konfigurasi mana yang Anda inginkan dan mengapa? Jika tidak ada, konfigurasi apa yang lebih baik?

Solusi Ringkas:

• Kedua konfigurasi ini hampir setara.

• Entah akan bekerja sama dengan baik di hampir semua kasus.

• Dalam situasi di mana satu lebih baik daripada yang lain desain akan terlalu marjinal untuk penggunaan dunia nyata (karena segala sesuatu yang begitu penting untuk membuat keduanya berbeda secara substansial berarti operasi adalah "tepat di tepi"). .

• atau R 4 hanya diperlukan ketika V i n dapat berupa rangkaian terbuka, yang dalam hal ini adalah ide yang bagus. Nilai hingga sekitar 100K mungkin OK dalam kebanyakan kasus. 10k adalah nilai aman yang baik dalam banyak kasus.$R_{2}$$R_{4}$$V_{in}$

• Efek sekunder pada transistor bipolar (yang telah saya singgung dalam jawaban saya) berarti bahwa R2 dan R4 mungkin diperlukan untuk menenggelamkan arus bocor balik bias Icb. Jika ini tidak dilakukan maka akan dibawa oleh persimpangan dan dapat menyebabkan perangkat hidup. Ini adalah efek dunia nyata asli yang terkenal dan didokumentasikan dengan baik tetapi tidak selalu diajarkan dengan baik di kursus. Lihat tambahan jawaban saya.

---

Kasing kiri:

• Tegangan drive berkurang , yang berarti 9% lebih sedikit. $\frac{10}{11}$
• Basis melihat 10K ke ground, jika input sirkuit terbuka.
• Jika input RENDAH, maka base melihat tentang 1K ke ground. Sebenarnya 1K // 10K = pada dasarnya sama.

Kasing kanan:

• Drive = 100% dari diterapkan melalui 1K. $V_{in}$
• Basis melihat 10K ke tanah jika adalah sirkuit terbuka. (sebagai lawan dari 11K). $V_{in}$
• Jika inputnya RENDAH, base akan melihat 1K, yang pada dasarnya sama.

R2 dan R4 bertindak untuk menyuntikkan arus bocor dasar ke ground. Untuk transistor jellybean berdaya rendah atau kecil, hingga beberapa Watt, arus ini sangat kecil, dan biasanya tidak akan menghidupkan transistor, tetapi mungkin dalam kasus yang ekstrim - jadi katakan 100K biasanya cukup untuk menjaga basis RENDAH .

Ini hanya berlaku jika adalah rangkaian terbuka. Jika V i n di -ground, yang artinya RENDAH, maka R1 atau R5 berasal dari basis ke ground dan R2 atau R4 tidak diperlukan. Desain yang baik meliputi resistor ini jika V i n mungkin pernah menjadi rangkaian terbuka (misalnya prosesor pin selama startup mungkin rangkaian terbuka atau undefined).$V_{in}$$V_{in}$$V_{in}$

Berikut ini adalah contoh di mana "blip" yang sangat pendek karena pin mengambang adalah konsekuensi utama: Dulu sekali, saya memiliki sirkuit yang mengendalikan drive tape 8 data open reel tape drive. Ketika sistem pertama kali dinyalakan, kaset itu akan berjalan mundur dengan kecepatan tinggi dan despool. Ini "sangat sangat sangat menjengkelkan". Kode diperiksa dan tidak ada kesalahan yang ditemukan. Ternyata drive port membuka sirkuit saat port diinisialisasi dan ini memungkinkan garis apung ditarik tinggi oleh tape deck yang meletakkan kode rewind pada port tape. Itu memutar ulang! Kode inisialisasi tidak secara eksplisit memerintahkan rekaman untuk berhenti karena dianggap sudah berhenti dan tidak akan memulai dengan sendirinya. Menambahkan perintah berhenti eksplisit berarti bahwa rekaman itu akan berkedut tetapi bukan despool (dihitung dengan jari otak - hmmm 34 tahun yang lalu). (Itu pada awal 1978 - sekarang hampir 38 tahun yang lalu ketika saya mengedit jawaban ini). Ya, kami memiliki mikroprosesor saat itu. Hanya :-).

---

Spesifik:

Sebuah resistor 10K diperlukan langsung di pangkalan untuk mencegah Q1 dari ON ON tanpa sengaja. Jika konfigurasi di sebelah kanan, dengan Q1, digunakan, maka resistansi akan terlalu lemah untuk menarik basis ke bawah.

Tidak!

10K = 11K untuk tujuan praktis 99,8% dari waktu, dan bahkan 100k akan bekerja dalam banyak kasus.

R2 juga melindungi VBE dari tegangan berlebih dan memberikan stabilitas jika terjadi perubahan suhu.

Tidak ada perbedaan praktis dalam kedua kasus tersebut.

R1 melindungi dari arus berlebih ke basis Q1, dan akan menjadi nilai resistor yang lebih besar jika tegangan dari "uC-out" tinggi (misalnya + 24V). Akan ada pembagi tegangan yang terbentuk, tetapi itu tidak masalah karena tegangan input sudah cukup tinggi.

Beberapa pantas.

R1 dimensinya untuk memberikan arus base drive yang diinginkan jadi ya.

$R_{1} = \dfrac{V}{I} = \dfrac{(Vin - Vbe)}{I{desired\, base\, drive}}$

Karena rendah dan Anda mendesain lebih dari cukup saat ini, maka:$V_{BE}$

$R_{1} \cong \dfrac{Vin}{Ib_{desired}}$

- di manaβ= gain saat ini. $I_{base \ desired} >> \frac{Ic}{\beta}$$\beta$

Jika (mis. BC337-40 di mana$\beta_{nominal} = 400$ 250 hingga 600) maka desain untuk β ≤ 100 kecuali ada alasan khusus untuk tidak melakukannya. $\beta =$$\beta \leq 100$

Misalnya, jika maka β $\beta_{nominal} = 400$. $\beta_{design} = 100$

Jika dan $Ic_{max} = 250mA$maka$V_{in} = 24V$

$$I_b = \frac{I_c}{\beta} = \frac{250}{100} = 2.5mA$$ $$R_b = \frac{V}{I} = \frac{24V}{2.5mA} = 9.6k \Omega$$

Kita bisa menggunakan 10k, karena beta konservatif tetapi 8.2k atau bahkan 4.7k tidak apa-apa.

$$Pr_{4.7k} = \frac{V^2}{R} = \frac{24^2}{4.7k} = 123mW$$

Ini akan baik-baik saja dengan angka resistortetapi123mW mungkin tidak sepenuhnya sepele sehingga orangmungkiningin menggunakan resistor 10k sebagai gantinya.$\frac{1}{4}W$

Perhatikan bahwa daya kolektor yang diaktifkan = V x I = 24 x 250 = 6 Watt.

Di sebelah kanan, dengan Q2, adalah konfigurasi saya. Saya pikir itu:

Karena basis transistor NPN bukan titik impedansi tinggi seperti MOSFET atau JFET, dan HFE dari transistor kurang dari 500, dan setidaknya 0,6V diperlukan untuk menghidupkan transistor ON, resistor pull-down tidak penting , dan dalam kebanyakan kasus bahkan tidak diperlukan.

Seperti di atas - semacam, ya, TAPI. yaitu kebocoran dasar akan menggigit Anda kadang-kadang. Murphy mengatakan bahwa tanpa pull-down itu akan secara tidak sengaja menembakkan meriam kentang ke kerumunan sebelum aksi utama, tetapi 10k hingga 100k pull-down akan menyelamatkan Anda.

Jika resistor pull-down akan diletakkan di papan, maka nilai 10K yang tepat adalah mitos. Itu tergantung pada anggaran daya Anda. 12K akan baik-baik saja dan 1K.

Iya nih!
10k = 12k = 33k. 100k MUNGKIN semakin tinggi.
Perhatikan bahwa semua ini hanya berlaku jika Vin dapat membuka sirkuit.
Jika Vin tinggi atau rendah atau di mana saja di antara keduanya maka jalur melalui R1 atau R5 akan mendominasi.

Jika konfigurasi di sebelah kiri, dengan Q1, digunakan, maka pembagi tegangan dibuat dan dapat membuat masalah jika sinyal input, yang digunakan untuk mengaktifkan transistor ON, rendah.

Hanya dalam kasus yang sangat sangat sangat sangat ekstrim seperti yang ditunjukkan.
IR2=V b

$$I_{R1} = \frac{V}{R} = \frac{V_{in}-V{be}}{R1}$$
$$I_{R2} = \frac{V_{be}}{R_2}$$

Jadi fraksi yang akan "mencuri" R2 adalah

IR

$$\frac{I_{R2}}{I_{R1}} = \frac{\frac{V_{be}}{R_2}} { \frac{V_{in}-V_{be}}{R_1}}$$
$$\frac{I_{R2}}{I_{R1}} = \frac{R_1}{R_2} \times \frac{V_{be}}{V_{in}-V_{be}}$$

$R_1 = 1k$$R2 = 10K$

$$\frac{R_1}{R_2} = 0.1$$
$V_{be} = 0.6V$$V_{in} = 3.6V$ $$\frac{V_{be}}{V_{in}-V_{be}} = \frac{0.6}{3.0} = 0.2$$ $0.1 \times 0.2 = 0.02 = 2\%$
yaitu bahkan dengan 1k / 10k kehilangan drive minimal.

Jika Anda dapat menilai Beta dan lebih dekat lagi bahwa kehilangan drive 2% penting maka Anda harus berada dalam program luar angkasa.

• Peluncur orbital bekerja dengan margin keselamatan dalam kisaran 1% - 2% di beberapa area utama. Ketika muatan Anda ke orbit adalah 3% hingga 10% dari massa peluncuran Anda (atau kurang) maka setiap% dari margin keamanan adalah gigitan dari makan siang kami. Upaya peluncuran orbital Korea Utara terbaru menggunakan margin keselamatan aktual -1% hingga -2% di suatu tempat yang kritis, tampaknya, dan "summat gang aglae". Mereka berada di perusahaan yang baik - AS dan Uni Soviet kehilangan banyak banyak peluncur di awal 1960-an. Saya kenal seorang pria yang dulu membangun rudal atlas sejak dini. Betapa menyenangkannya mereka. Satu sistem Rusia TIDAK PERNAH menghasilkan peluncuran yang sukses - terlalu rumit.) Inggris meluncurkan satu satelit yang pernah ada FWIW.

---

TAMBAH

Telah disarankan dalam komentar itu

R2 dan R4 tidak pernah diperlukan, karena NPN adalah perangkat yang dikendalikan SAAT INI. R2 dan R4 hanya masuk akal untuk perangkat yang dikendalikan VOLTAGE, seperti MOSFET

dan

Bagaimana pull-down diperlukan ketika output MCU hi-Z, dan transistor dikontrol oleh arus? Anda tidak mengatakan "siapa". Baik. Anda juga tidak ingin mengatakan "mengapa"?

Ada efek sekunder yang penting dalam transistor bipolar yang menghasilkan R2 dan R4 memiliki peran yang berguna dan kadang-kadang penting. Saya akan membahas versi R2 karena sama dengan versi R4 tetapi sedikit "lebih murni" untuk kasus ini (yaitu R1 menjadi tidak relevan).

Jika Vin adalah sirkuit terbuka maka R2 terhubung dari basis ke ground. R1 tidak berpengaruh. dasar TAMPILAN yang akan di-ground dengan tidak ada sumber sinyal.
Namun, persimpangan CB secara efektif merupakan dioda silikon bias terbalik. Arus bocor terbalik akan mengalir melalui dioda CB ke pangkalan. Jika tidak ada jalur eksternal ke ground yang disediakan, arus ini akan mengalir melalui dioda basis-emitor bias ke tanah. Arus ini secara tidak terduga akan menghasilkan arus kolektor dari kebocoran Beta x Icb tetapi pada arus rendah seperti itu Anda perlu melihat persamaan yang mendasari dan / atau data perangkat yang dipublikasikan. Lembar data BC337 - di sini memiliki cutoff Icb sekitar 0,1 uA dengan Vbe = 0.
Ice0 = arus basis kolektor adalah sekitar 200 nA dalam kasus ini.
Vc adalah 40V dalam contoh itu tetapi arus sekitar dua kali lipat per 10 derajat C naik dan spek itu pada 25C dan pengaruhnya relatif bebas tegangan. Keduanya terkait erat. Di sekitar 55c Anda bisa mendapatkan 1 uA - tidak banyak. Jika biasa Ic adalah 1 mA maka 1 uA tidak relevan. Mungkin.
Saya telah melihat sirkuit dunia nyata di mana penghilangan R2 menyebabkan masalah palsu.
Dengan R2 = katakanlah 100k maka 1 uA akan menghasilkan kenaikan tegangan 0,1V dan semuanya baik-baik saja.

Dengan risiko membuang bahan bakar ke api masalah yang sangat kontroversial ini, saya akan menambahkan dua nilai saya.

$V_{OL(MAX)}$$V_{OH(MIN)}$

Seperti biasa, lihat lembar data yang sesuai dan desain yang sesuai.

$V_{BE}$$\mu$
$V_{BE}$$I_B$

Di kanan R4 hanya menyebabkan jalur arus yang tidak perlu dari pin output ke ground. Ini akan lebih tinggi daripada R2 akan melihat, jika mikrokontroler berjalan pada 5V itu akan menjadi 500$\mu$

Karena arus yang lebih besar untuk R4 daripada untuk R2 saya lebih suka solusi kiri. Jika saya akan menempatkan R2 / R4 di tempat pertama. Yang saya mungkin tidak akan.

Seperti yang ditunjukkan Steven dan Russel, kedua kasus Anda hampir setara. Namun, untuk output logika digital normal yang menggerakkan tinggi dan rendah, Anda tidak perlu pulldown sama sekali. Inilah yang saya pikir Telaclavo coba katakan, tetapi kemudian membuat saya tidak begitu yakin dalam komentarnya. Bagaimanapun, dia tidak memenuhi syarat jawabannya dengan baik dan tidak memberikan banyak latar belakang.

Output logika digital CMOS yang khas memiliki transistor yang menggerakkan saluran secara aktif baik tinggi maupun rendah. Dalam hal ini resistor seri tunggal baik-baik saja. Ini menjadi pulldown ketika output digital rendah karena output akan secara efektif diikat ke tanah oleh resistensi dari FET sisi rendah ketika sedang aktif. Ini juga membantu mematikan transistor NPN lebih cepat karena arus benar-benar akan mengalir secara terbalik melalui resistor basis untuk waktu yang singkat untuk mengalirkan muatan dari basis. Muatan ini sebaliknya akan "habis" dalam menyebabkan muatan lebih signifikan mengalir melalui kolektor dan emitor.

Anda masih memerlukan resistor pull-down dalam beberapa kasus. Jika output digital bisa mendapatkan impedansi tinggi, maka memiliki sesuatu yang positif mendorong atau mematikan basis adalah ide yang baik. Perhatikan bahwa sebagian besar output mikrokontroler mulai pada impedansi tinggi setelah powerup. Bergantung pada mikro dan bagaimana Anda mengkonfigurasinya, bisa jadi 10 detik dari ms sebelum firmware dapat menginisialisasi port untuk mendorong satu atau lain cara. Jika penting bahwa transistor tidak boleh menyala selama waktu powerup ini karena gangguan atau apa pun, maka Anda masih perlu pulldown.

Itu semua mengatakan, mari kita tetap dalam perspektif apa yang disebut pulldown basis (atau pullup untuk PNP) untuk transistor bipolar. Perangkat ini berfungsi pada arus, bukan tegangan. Harus ada arus melalui basis mengambang untuk menghidupkan transistor. Kopling kapasitif untuk sinyal menyimpang dapat menyebabkan perubahan tegangan yang signifikan pada node impedansi tinggi, tetapi arus biasanya cukup kecil. Kecuali jika transistor bias pada ujung konduksi dan apa pun yang downstream memiliki gain tinggi, pickup kapasitif liar di pangkalan tidak mungkin menghidupkan transistor. Tentu saja Anda dapat menemukan situasi di mana itu terjadi, tetapi ini tidak ada masalah dengan gerbang impedansi tinggi dari MOSFET.

Kecuali Anda benar-benar terbatas ruang atau anggaran, entah bagaimana memastikan bahwa basis transistor tidak dibiarkan mengambang ketika itu penting apakah transistor aktif atau tidak. Tetapi jika sebuah situasi muncul di mana pulldown tambahan adalah masalah, pikirkan dengan hati-hati dan putuskan apakah itu benar-benar diperlukan, dengan mengingat kemungkinan sinyal menyimpang menempatkan cukup arus melalui pangkalan untuk menghidupkan transistor dan konsekuensi dari pergantian itu .

Hanya selalu menggunakan pull-down 10 kΩ untuk alasan religius atau karena Anda mendengarnya, ide yang bagus adalah konyol.

Hasil dunia nyata:

LED hijau sebagian menyala oleh arus bocor CB yang bias balik pada 2N3904 saat alasnya dilepas (atau 3-dinyatakan saat reset). Menambahkan jalur ke ground akan menyuntikkan arus bocor CB keluar dari daerah basis, dan LED sekarang benar-benar gelap.

Bukan masalah dengan LED, tapi seandainya dikatakan motor, mungkin ada hasil yang tidak diinginkan dari run-away yang tidak terkendali setelah reset, bahkan untuk waktu yang singkat.

Resistor R2 | R4 juga berfungsi untuk membantu menghilangkan muatan dari wilayah basis, sehingga beralih dari saturasi ke cutoff lebih cepat. Dalam hal ini, resistensi yang lebih rendah dari topologi di sebelah kiri (resistor R2 antara basis dan tanah) lebih baik.

Jika sumber ke rangkaian akan berupa keluaran digital yang akan selalu menarik tinggi atau rendah dengan bersih, maka tidak perlu resistor pull-down, karena setiap resistor yang berukuran melewati arus yang cukup untuk menyalakan transistor dengan memuaskan bahkan ketika menggunakan Logika lima volt (artinya turun 4,3 volt) tidak akan mengalami kesulitan untuk melewati kebocoran basis-kolektor yang masuk akal.

Jika sumber ke sirkuit akan menjadi output digital yang beralih antara tinggi dan mengambang, dan jika mengambang seharusnya diterjemahkan menjadi "mati", konfigurasi pertama umumnya lebih unggul dalam keadaan yang melibatkan BJT "normal" dan tingkat logika, meskipun ketika menggunakan jenis lain dari transistor atau tingkat logika ada kasus di mana yang kedua akan lebih baik. Keuntungan dari konfigurasi pertama adalah bahwa jika resistor "mematikan" berukuran turun 0,5 volt pada arus kebocoran kolektor-basis transistor, jumlah arus yang terbuang melalui itu akan meningkat hanya 40% ketika transistor seharusnya dihidupkan. Sebaliknya, dalam konfigurasi yang terakhir, menggunakan asumsi 0,5 volt yang sama, jika seseorang menggunakan misalnya output 3,3 volt,

Satu-satunya waktu konfigurasi kedua benar-benar bekerja lebih baik daripada yang pertama adalah ketika tegangan dari output logika "tinggi" hampir tidak memadai untuk menyalakan transistor. Dalam skenario itu, sirkuit kedua membuat output tegangan penuh dengan logika tersedia untuk menghidupkan transistor. Sebaliknya, rangkaian pertama akan sedikit menurunkan tegangan. Dengan transistor persimpangan bipolar, biasanya ada begitu banyak margin tegangan sehingga penurunan tegangan sedikit tidak masalah. Namun, dengan MOSFET, kadang-kadang kita membutuhkan semua voltase yang bisa didapat. Lebih jauh, saat mengendarai MOFSET, seseorang dapat menggunakan resistor seri yang lebih besar daripada yang digunakan oleh transistor persimpangan bipolar; lebih lanjut, tergantung pada apa yang dikendarai, satu mungkin dapat mengukur resistor di sirkuit kedua sehingga bahkan jika transistor gagal dengan drain-gate pendek itu tidak akan memaparkan pin prosesor ke tegangan yang berlebihan. Sirkuit pertama tidak akan menawarkan perlindungan seperti itu.

Jika itu adalah aplikasi kritis di mana Anda membutuhkan lebih banyak kekebalan kebisingan dengan perangkat yang dapat diprogram (uC atau CPLD) digunakan untuk menggerakkan sinyal, orang harus mempertimbangkan bahwa kondisi penyalaan power-on mendefinisikan pin seperti input sebelum input aktif. Jadi saya kemudian akan menyertakan resistor pull down untuk menghindari situasi yang memicu kebisingan menyimpang di hadapan EMI tinggi.

Tidak satupun dari mereka. Lupakan resistor pull-down. Dalam kedua kasus Anda, Thevenin setara dengan apa yang dilihat pangkalan NPN, di sebelah kirinya, adalah sumber tegangan dan resistor seri. Jadi, gunakan hanya resistor secara seri dengan basis, dan pilihlah sehingga arus yang melalui basis adalah yang Anda inginkan.